麻省理工学院神经科学家调查经典视觉幻觉背后的真正原因

麻省理工学院的研究小组发现了证据表明，称为同时亮度对比的经典视觉错觉依赖于视网膜中发生的亮度估计，而不是大脑的视觉皮质。在此图像中，尽管具有相同的亮度，但两个小盘似乎具有不同的亮度。

神经科学家深入研究背景亮度如何影响我们对对象的看法。

这是一个经典的视觉错觉：两个灰色点出现在背景上，由浅灰色到黑色的渐变组成。虽然两个点是相同的，但它们基于它们被放置在背景的位置非常不同。

学习大脑的科学家一直在努力将这种幻觉背后的机制突出，称为同时亮度对比，超过100年。麻省理工学院LED研究现在表明这种现象依赖于在视觉信息到达大脑的视觉皮层之前发生的亮度估计，可能在视网膜内。

“我们所有的实验指出，这是一个低级现象的结论，”麻省理工学院大脑和认知科学部门的愿景和计算神经科学教授Pawan Sinha说。“结果有助于回答这个问题是亮度估计的这种非常基本的过程的机制，这是许多其他类型的视觉分析的构建块。”

作为他们调查的一部分，研究人员在印度学习了盲目的儿童，发现他​​们几乎在手术后开始后立即易于这种幻觉，提供进一步证明亮度估计可能基于没有的简单神经电路需要建立任何先前的视觉体验。

Sinha是该研究的高级作者，它出现在8月份的视觉研究中。本文的其他作者是Sarah Crucilla，他在高中工作时使用Sinha，现在是一个Caltech本科生; Tapan Gandhi是印度理工学院和前博士的教师;迪伦上升，最近的东北大学博士收件人;谷歌的艾米辛格，谁也是前麻省理工学院的博士; Sula Ganesh和新德里博士慈善眼中医院博士的Ganesh和Umang Mathur;东北大学心理学教授彼得贝克斯。

估算亮度

当我们看看图像时，我们的大脑在图像的每个位置感知一定的亮度。然而，令人惊讶的是，我们的亮度感知并不总是与来自图像区域的光的量成比例，Sinha说。相反，我们的感知是物体的实际颜色的产品和光线的光量。

“在明亮的聚光灯下，你可以在明亮的聚光灯下有一块非常黑的布料，你从它所获得的光量可能与甚至超过，从昏暗的光线下的白色纸张的光量相同， “Sinha说。“大脑被提出了挑战，弄清楚表面的光明或暗面是基于它接收的能量量。从本质上讲，大脑必须p出来的两个数字乘以（照明水平和表面黑暗），以产生它正在接收的一个数字（传入能量） - 一个看似不可能的任务，因为无限的数量的数量都可以产生相同的产品。”

一些科学家，包括19世纪的德国物理学家赫尔曼·冯·赫尔莫霍尔茨，这是一个早期的视觉研究的先驱，建议估算亮度是“高级”过程。也就是说，大脑估计基于它在它看到的环境中的照明条件，形状和阴影的高级了解的高层了解。

许多视觉任务，例如识别面或物体，依赖于我们以前的经验或对我们所看到的内容的期望。然而，在本研究中进行的SINHA和他的同事的实验表明，在亮度估计的情况下，高级处理不会发挥重要作用。

在他们的第一组实验中，研究人员创造了一个立方体的形象，似乎从侧面点燃，一个脸上出现比另一个亮度更亮。实际上，使用中国陶瓷画家在800年前知道的聪明伎俩，看起来更亮的脸部实际上具有看起来更暗的脸。在该显示中，研究人员发现，当将相同的灰度点放置在两个立方面面上时，似乎在阴影中的脸上的点实际上比放置在接收更多光的面上的相同点暗中出现较暗。

“这与标准同步对比度显示的发生相反，其中黑暗背景上的点在浅色背景上比点亮更亮，”Sinha说。“这一结果与亮度估计有助于亮度估计的高级别分析有关的想法运行。”

第二组实验旨在本地化亮度估计的过程。它建立在奇怪的事实上，通过合并来自两只眼睛的图像构建的世界的统一视图，伴随着几乎完全丧失“原籍眼”信息。我们不知道原始图像是什么，他们来自哪些眼睛;我们只意识到合并的视图（有时称为“Cyclopean”形象，在希腊神话的单眼怪物周刊之后）。但是，使用专门设计的图像和立体眼镜，研究人员发现，亮度估计不需要等到两只眼睛的信息合并;它已经发生了这一点。

该发现表明，在从每只眼睛的信息组合成一个可视流之前，亮度估计很早就会发生。该组合发生在大脑皮层的一部分中称为V1（如此命名，因为它代表了皮质中的可视处理的第一阶段）。这对加工地点的限制紧张;研究人员假设大部分可能在视网膜中进行显着的亮度计算。

“从前两组研究的结果的含义是，如果亮度估计真的是一个低级过程，并且电路早在视网膜时，那么这可能是一个先天的分配，”Sinha说。“这是视觉系统准备做的，从出生就做好准备。”

“一个天生的机制”

研究人员能够通过研究最近恢复景象的盲人儿童来探索这一假设。Sinha在印度努力叫做Project Prakash，其使命是治疗患有可预防形式的盲目的儿童，如先天性白内障。许多治疗的儿童继续参与对视觉发展的科学研究，尽管治疗并未取决于此类参与。

“预测是，如果亮度估计真的是一个先天的机制，那么在被同性恋的儿童中发起视线之后，他们应该陷入同时对比幻觉的牺牲品，”Sinha说。

这正是研究人员在患有九个儿童的研究人员在8到17岁之间移除的九个儿童。所有的孩子都易于这种幻觉，在移除外科绷带后的24至48小时内进行的测试。

在2015年的研究中，Sinha表明，最近有人看到的儿童也立即易于两种其他视觉幻想，称为Müller-lyer和Ponzo幻想，这涉及根据视觉线索判断线的长度。

“从该工作中出现的帐户似乎也与亮度研究中出现的账户一致。也就是说，我们如此快速归类对高级推理过程的许多现象实际上可以在最简单的大脑的一些非常简单的电路机制中实例化，“Sinha说。“这些结果有助于了解我们的神经系统如何解决令人信服和了解我们周围世界的复杂挑战。”

参考：“潜在亮度的机制对比度：早期和天生的“由Pawan Sinha，Sarah Crucilla，Tapan Gandhi，Dylan Rose，Amy Singh，Suma Ganesh，Umang Mathur和Peter Bex，2020年5月25日，Vision Research.doi：
10.1016 / J.Visres.2020.04.012

该研究由国家眼学院/国家卫生研究院资助，Nick Simons Family Foundation，Sikand基金会和Halis家族基金会。